基于CANbus和SNMP的起重力矩監控系統

1 概述

在工程機械的控制系統中，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)的應用日趨廣泛。CAN 總線(xiàn)由于其數據傳輸高可靠性和高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)現場(chǎng)數據傳輸方式的事實(shí)標準之一，現已被廣泛應用于汽車(chē)、工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等各個(gè)行業(yè)的數據通訊。CAN 總線(xiàn)采用短幀報文結構，實(shí)時(shí)性好，并具有完善的數據校驗、錯誤處理以及檢錯機制，此外CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)在嚴重錯誤下會(huì )自動(dòng)脫離總線(xiàn)，對總線(xiàn)通訊沒(méi)有影響^[1]。CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，數據收發(fā)、硬件檢錯均由CAN 控制器硬件完成，大大增強了CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的抗電磁干擾能力，因此非常適用于對實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡(luò )。

SNMP 作為TCP/IP 協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議，是IEITF 研究小組提出的網(wǎng)絡(luò )管理解決方案之一，它作為一種簡(jiǎn)潔而流行的網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議在工業(yè)界獲得了廣泛的應用。SNMP 網(wǎng)絡(luò )管理模型中的重要組成部分包括：網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議、管理端（Manager）、代理（Agent ）和管理信息庫（MIB）。其管理的基本思想是，通過(guò)管理端與代理之間的相互合作，以分布方式執行網(wǎng)絡(luò )管理活動(dòng)^[2]。管理端負責管理網(wǎng)絡(luò )中各種資源和設備，采用輪詢(xún)（polling ）或手動(dòng)方式向遠程的代理發(fā)送Get（讀?。┖?/span>Set（設置）請求命令，以獲取信息或實(shí)施控制。代理駐留在設備上，負責設備的實(shí)際管理和控制，響應和執行管理端的管理命令，并且返回應答信息。MIB 存放被管對象資源的所有信息，管理端通過(guò)代理來(lái)讀取和設置MIB 文件中的變量值，以實(shí)現對被管理設備的監控。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備上的MIB 又由代理負責維護。SNMP 最大的優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議簡(jiǎn)潔，可擴展性強，只要將新的MIB 裝載在管理軟件上就可以實(shí)現對新的終端的控制與訪(fǎng)問(wèn)。

起重力矩限制系統是起重機械運行中重要的安全保障裝置，其核心在于對規定動(dòng)作執行的精確度，這不僅有賴(lài)于傳感器和執行器的精度，還有賴(lài)于數據采集信號和命令的執行速度。比如起落桿的左右轉動(dòng)角度信號，通過(guò)數據采集模塊將信號標準化，主控工控機接收到該信號后和預先設定的參數做比較，并根據偏差指揮左轉或右轉開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并最終到位。傳統的起重力矩控制系統采用基于RS485 的信號傳輸，其通訊波特率僅為57.6Kbps ，系統穩定性差，電動(dòng)機和其他大功率設備常常影響系統的正常運行。而采用CAN 總線(xiàn)傳輸信號則不僅提高系統的抗電磁干擾能力，而且可使通訊波特率大大提高。基于SNMP 協(xié)議的遠程通信，傳輸距離不受限制，這相對于其他工業(yè)控制總線(xiàn)有不可比擬的優(yōu)勢。本文提出的方案結合應用CAN 總線(xiàn)和SNMP 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，構建遠程起重力矩監控系統，現場(chǎng)數據傳輸速率可高達500Kbps ，并具有硬件自動(dòng)校驗和錯誤自動(dòng)重發(fā)功能。該方案可以保障可靠、實(shí)時(shí)的數據傳輸和命令執行，保障起重機械的安全運行。

2 系統硬件結構與特點(diǎn)

在起重機工作現場(chǎng)，通過(guò)CAN 總線(xiàn)實(shí)現對各傳感器信號的采集以及對輸出裝置的控制，具有抗干擾能力強、可靠性高、實(shí)時(shí)響應性好，線(xiàn)纜少易敷設、成本低等優(yōu)點(diǎn)?，F場(chǎng)工控機與遠程監控計算機之間的通信采用Internet 作為媒介，使用基于SNMP 協(xié)議的遠程傳輸，進(jìn)一步拓展了CAN 總線(xiàn)的優(yōu)勢。

現場(chǎng)起重機工作的角度、長(cháng)度、壓力等信號由各類(lèi)傳感器采集，輸入iCAN 數據采集模塊，經(jīng)過(guò)CAN 總線(xiàn)傳給現場(chǎng)工控機，并存儲在駐留工控機內的MIB 文件中，供運行在遠程監控計算機中的管理端軟件查詢(xún)調用。同時(shí)，各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變量也存儲在該MIB 文件中，根據管理端發(fā)來(lái)的設置值變更成新值，再經(jīng)由現場(chǎng)CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳遞給輸出控制模塊以控制各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，達到起重力矩遠程監控的目的。系統結構如圖1 所示。

其中，iCAN-4017 AI 功能模塊具有8 路模擬量輸入通道，符合CAN2.0B 協(xié)議規范，用于采集傳感器的輸入信號，將輸入信號經(jīng)多路開(kāi)關(guān)、AD 轉換后經(jīng)光耦隔離模塊，通過(guò)CAN 總線(xiàn)通訊將輸入的模擬量信號傳送給現場(chǎng)工控機^[3]。iCAN-2404 繼電器功能模塊有4 路具有自保持功能的繼電器輸出通道，它在工作時(shí)，工控機通過(guò)CAN 總線(xiàn)將輸出的繼電器控制數據傳送給該模塊，模塊通過(guò)光電隔離后輸出驅動(dòng)繼電器，實(shí)現對上升、下降、左轉、右轉開(kāi)關(guān)的控制。

3 系統軟件工作原理及實(shí)現

系統的軟件主要分為兩部分，其一是為了提取和設置CANbus 現場(chǎng)總線(xiàn)中的據，其二是基于SNMP 協(xié)議實(shí)現數據的遠程通信。

3.1 提取和設置現場(chǎng)總線(xiàn)中的數據

為了對傳感器數據進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取系統工作狀態(tài)，并對各執行器進(jìn)行相應的控制，我們利用iCAN 模塊附帶的函數庫在VC++開(kāi)發(fā)平臺下編寫(xiě)了相應的程序來(lái)通過(guò)各iCAN 模塊采集傳感器的信號，控制各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。iCAN 主站函數庫以動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供，內部封裝了iCAN 協(xié)議，屏蔽訪(fǎng)問(wèn)控制細節，提供對現場(chǎng)總線(xiàn)iCAN 網(wǎng)絡(luò )中設備訪(fǎng)問(wèn)的接口^[3]。通過(guò)調用此函數庫，可以使PC-CAN 主站卡和iCAN 從站模塊進(jìn)行通訊，完成工控機與現場(chǎng)總線(xiàn)上各節點(diǎn)設備之間的信息交換。

3.2 基于SNMP 協(xié)議的通信實(shí)現

為了基于SNMP 協(xié)議在遠程監控計算機與現場(chǎng)工控機之間進(jìn)行通信，需要開(kāi)發(fā)兩部分的程序，即管理端程序和代理程序。管理端程序運行在遠程監控計算機中，代理程序駐留在與現場(chǎng)CAN 總線(xiàn)相連的工控機上，代理中還包括管理信息庫MIB，MIB 存儲被管理對象的信息，包括角度、壓力數據，各開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉狀態(tài)等。管理端以輪詢(xún)方式向遠程的代理發(fā)送Get（讀?。┖?/span>Set（設置）請求命令，以獲取角度、長(cháng)度和壓力信息或實(shí)施開(kāi)關(guān)控制。代理將根據請求的內容從本地 MIB 中提取所需信息，并以響應報文方式將結果回送給管理端。具體地，它一方面不斷地檢查本地的狀態(tài)，更新MIB 庫中的變量值；另一方面，循環(huán)偵聽(tīng)管理端的請求報文，并作出相應的響應，讀取或修改 MIB 中的變量值，將結果返回給管理端。通信交互過(guò)程如圖2 所示^[4] 。

圖2 管理端與代理的通信交互過(guò)程